高铁车站牵引电流损伤机械绝缘节原因探讨

徐宗奇 叶建斌

徐宗奇:北京全路通信信号研究设计院有限公司 工程师100073 北京

叶建斌:广铁集团电务处 工程师 510410 广州

2011－2012年，我国高速铁路车站多次出现电气化牵引电流回流造成机械绝缘节烧损及钢轨灼伤的现象，给正常的运输造成了不利影响，引起行业运营主管部门的高度重视。当前，国内关于这方面研究尚少，无法查询到有效的解决措施，且该问题成因复杂，牵涉因素多，与钢轨回流通道设置、接地设置、列车泄流方式、轮对间的绝缘性能、列车泄流大小、列车运行速度等多方面因素都密切相关，成为亟待解决的技术难题。

为此，在沪宁线、武广线各线进行了现场的前期测试和调查，取得了第一手的测试数据和初步的分析结果。为了更深入地研究，相关业务主管部门组织了不同专业的多个单位在京沪高铁进行测试和试验。本文基于前期研究的结果，对牵引电流烧损、灼伤绝缘节和钢轨的情况进行分类，提出“电压击穿”和“电流拉弧灼伤”2种典型损伤类型，并进行相关案例分析，对其技术特征进行归纳和对比分析，探讨在电气化铁路中牵引回流相关的设计思路和研究方向。

1 现场案例

1.1 电压击穿股道尽头绝缘接头

某日，武广线某站5道下行接车后，11DG、13DG发生红光带，现场检查发现这两区段接收端匹配单元10A断路器跳断，两区段间公共绝缘外侧鱼尾板上有4处烧黑痕迹，其中一处烧痕较大，内侧下部也有1个烧黑痕迹。通过回放发现，发生故障的时刻是在开放了下行5道发车信号后，11DG、13DG尚未占用时。车辆部门记录，故障发生时车上MMI显示无网压，7号车车顶隔离开关锁闭，并伴随一声巨响;牵引变电所记录回放，在故障时段，入所回流瞬间增大至2700 A左右，持续37 ms，后恢复正常值600～800 A间，网压正常，约28 kV。

分析该站站场情况，5道的回流为单侧连通，仅有惟一的回路，调查发现5道连接到正线的回流连接线装设在中心点连接板的同一螺栓上，容易在单点故障条件下失去全部连接，在单回路回流通道上任何连接点的中断均会造成回流通路丧失，回路缺失后列车失去电压，接触网网压直接作用在绝缘节两侧，造成高电压击穿绝缘节，之后形成瞬间短路，构成如图1虚线所示回流路径。

图1 电流分布情况

故障时MMI显示与无网压情况吻合，变电所记录的瞬间2700A大电流、击穿绝缘节时伴随发生的巨响均符合上述分析。

2011年1月，太中银线某站办理上行列车进3道，列车未完全进入股道时，22号道岔中途转动，原因为没有装设回流连接线，造成回流通道中断，击穿转辙机绝缘后造成误动。

上述2例均是在回流通道中断后，接触网高电压击穿地面设备或钢轨绝缘造成的。

1.2 电流灼伤钢轨轨面

2011年2月，对沪宁线常州站进行现场调查。该站为7股道车站，正线回流通道无切断，侧线回流切断共计5处，发现这5个位置均存在拉弧烧伤的情况，且烧伤为列车运行时轮对离开侧钢轨，切断位置如图2所示。

图2 牵引电流切断情况

根据对现场录像观测，列车轮对通过绝缘节时会出现拉弧，拉弧如图3所示。

2011年6月对武广线赤壁北车站回访，也发现存在烧损情况;2012年，在京沪线发现正线回流连通的绝缘节处也出现拉弧烧损的情况。拉弧烧损钢轨的情况陆续在各条客专、高铁线被发现，全路已经超过300余处。

2 差异性分析

灼伤可分为“电压击穿”和“电流拉弧灼伤”2类，根据上述2类案例的对比，2种情况在损伤时机、原因、对象、外部条件、频次等各方面均存在差异，具体差异对比情况如表1所示。

图3 列车经过时拉弧打火

表1 2种绝缘损伤的差异对比

3 危害分析

1.损伤钢轨。拉弧的高温会导致绝缘节碳化引起绝缘破损，更严重的是可能使钢轨接头处的机械性能发生变化，对行车造成安全隐患。

2.人身伤害。未设置冗余的回流通道故障后，列车失去接地，车体对地将可能出现高压，危及上下车的人员人身安全，原理示意图如图4所示。

图4 上、下车旅客接触的危险电压示意

3.损伤轨旁设备。未设置冗余的回流通道故障后，钢轨失去接地，高压对连接在钢轨上的所有绝缘构成威胁，包括轨端绝缘、转辙机绝缘、钢轨对地绝缘、轨道变压器的对地绝缘，且此时该绝缘承受的电压达到25000V，会出现击穿薄弱环节，形成泄流。株洲西、岳阳东站是高电压击穿了轨端绝缘;太中银线某站为击穿了转辙机的绝缘。各类绝缘分布如图5所示。

图5 轨道上各绝缘分布情况

4 国外现状

4.1 对电压限值的规定

根据“铁路设备:固定设备-电气安全，接地和回路”(EN 50122-3-2010)的数据，线路上能够容许触碰到的极限电压值及持续时间见表2。

表2 线路上极限电压值

4.2 成因和防护措施

查阅国外资料，国外同样存在绝缘节处烧损的案例，尤其是在直流牵引区段更为严重。在《澳大利亚DC1500V牵引供电条件下的工程实施标准》中，对机械绝缘节处的拉弧原因描述如下。

1．当通过轮对到钢轨表面的牵引回流建立后出现任何中断时，触电位置就可能拉弧，大的拉弧就可能破坏钢轨的表面。

2．在回流轨尽头处，回流电流没有新的可选择路径就存在拉弧的可能。

3．要重视单轨条轨道电路在牵引轨间有切断表面的情况。如果绝缘节位置不重叠，就会出现电流路径消失的情况，即拉弧。

4．道岔区段和单轨条轨道电路是牵引电流更换方向的典型位置。

5．当牵引电流从一侧改变为另一侧传输时，转变过程中或在岔区，必须注意要确保有连续的回流通道提供给车上的每一个轮对。

该资料提出最优的绝缘节安装方式如图6所示。

4.3 站内股道的多通道回流

根据国外资料，在UM71等制式的轨道电路中，为了能实现轨道间连续的外部连接，连接间距应在800～1600 m之间，一般在股道上设置双端的回流连接。两侧均能设置回流连接，将能够确保在列车进出股道时，上述发车进路上不存在明显的电流方向改变。

图6 绝缘节最优的安装方式

5 分析说明及研究方向建议

5.1 解决电压击穿需加强站内回流的冗余

由于当前客专、高铁广泛采用胶粘绝缘，更换难度大、时间长，对行车影响大，给维修带来了很大的负担，应从源头考虑，提出必要的解决方案。

在钢轨出现对地高电位后，需要寻找对地泄放通道，在回流缺失后需要面对25000V高压，对连接在钢轨上的各种绝缘形成共同考验。武广线株洲西站的2次故障，都说明了钢轨绝缘节是极易击穿的环节。但是，即便加强了该处绝缘节，还会有一个“短板”代替当前的钢轨绝缘被击穿，如转辙机或轨道变压器，甚至是钢轨对轨枕的绝缘扣件。因此，单独加强某一个环节的绝缘强度并不能解决问题，需要从如何减少故障的几率、降低电位等源头上解决。在可能的情况下 (能够确保存在外部迂回通道时实现断轨的检查)，增加站内回流的多方向冗余设置，即加强钢轨连接和增加通道数量。

在既有线25Hz相敏轨道电路中，为了防止第三轨迂回，在侧线股道采用单侧回流连接，俗称“一头堵”的方式，如图7所示。

究其根本原因，对电气化回流的连接限制，来自于轨道电路自身的断轨、断线检查，目前站内股道有效长度约为650 m，因此在该长度条件下如何解决断轨检查是技术关键。另外，采用一根回流线的方式是存在问题的。如文中图1描述的3G、5G、7G及远端叉线的半个车站的回流，均依靠从X3信号机处到X1信号机处的2根不到70 mm2电缆连接至正线，端头处为单螺栓连接，应从施工工艺角度提出更为可靠的连接方式及冗余连接方案。例如侧线考虑不使用连接线完成回流，而是通过扼流中心连接板沟通回流连接，且增加电缆冗余连接。

图7 单端回流情况下信号牵引回流示意图

5.2 电流灼伤的原因和解决方向

在沪宁线的测试中，列车从股道驶入正线过程中，实测电流分布情况如图8所示。

图8 列车驶入和驶出股道时的牵引电流

测试并统计了正常运营时段，驶入和驶出股道时最大电流情况，通常接车时车列为卸载状态，电流较小，发车时为加速状态，电流较大，如图9所示。

图9 列车驶入和驶出牵引电流对比

根据上述电流的差异情况分析，若把电流切断点设置于接车侧，将可大幅降低列车通过回流切断点时的功率，缓解烧损的程度。但是，侧向通过进路、反向发车等特殊应用情况时，问题不能得到改善。为了能够消除这种灼伤，尚需深入研究轮轨放电拉弧的形成机理，对站内回流设置、车载轮对泄流方式的影响做进一步研究。

6 总结

我国高铁技术尚处于前期发展阶段，对于运用中发现的各类技术问题尚需进行技术研究，本文仅就击穿绝缘的损伤方式进行了分类描述和说明，真正解决绝缘烧损的技术尚有很多的基础性工作要做，它对支持我国高铁的快速稳步发展，解决工程中的实际问题十分重要。